【手続補正書】
【提出日】平成18年1月11日(2006.1.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】          明細書
【発明の名称】      風力発電設備の出力制御装置および出力制御方法
【特許請求の範囲】
【請求項１】  風力から発電する電力を電力系統に結合する際、電圧位相を回転させる回転型の移相調整器を介して結合し、周波数、位相、または電圧を調整する風力発電設備の出力制御装置。
【請求項２】  電圧位相を回転させる回転型の移相調整器を用いて、発電機電圧位相を回転させ、発電機側の電圧周波数を変えることにより機械系のフライホイール効果を利用して、発電機入力と電気出力との差を生じさせることにより、電力系の安定を図る風力発電設備の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移相調整器を用いて、電力変動を低減する風力発電設備の出力制御装置および出力制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自然エネルギーの利用が進んでいるが出力が変動する発電機が結合された系統は、系統全体の周波数変動の問題が起こってくる。
【０００３】
自然エネルギーのなかで、風力発電のように短時間に周期的変動する電力源も電力系統に結合する必要が生じている。従来、風力発電では風車のピッチ角制御で変動を押さえているが、それでも取りきれない変動は、蓄電池などのエネルギー蓄積要素を併設して、電力変動を平滑して、電力系統に結合するなどを行ってきた。
【０００４】
従来、小型の風車では、系統への結合を行う際、インバーターを介して行っているが、その直流に容量の大きな二次電池を置き、余剰電力を蓄積することにより平滑化を果たしてきた。
【０００５】
大型風車の場合は、系統への連係変換器の設備コストの問題と変換効率の問題が大きなって、可能な限り電力変化を許容できるような大容量の電力系統が求められる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
例えば５００ｋＷ級の大型風車では短周期の電力変動が羽の位置、風の脈動などによって生じ、数秒程度の周期でプラス、マイナス２５０ｋＷにもなる。電力変動を平滑化できる高効率な電力連系制御装置が望まれていた。
【０００７】
風力発電は当然ながら、大型の回転体である風車に運転中、大きなエネルギーが蓄積されているが、積極的にそのエネルギーを利用する手段が無かった。
【０００８】
時間的に変動する電力は結合された電力系統にとって周波数の変動や電圧変動をもたらし、電力の品質を低下させる。
【０００９】
本発明の目的は、変動発電設備と電力系統の結合に回転型の移相調整器を用いて、位相を制御すれば電力変動を低減し、品質の高い電力の送電を可能にする構成を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明においては、風力から発電する電力を電力系統に結合する際、電圧位相を回転させる回転型の移相調整器を介して結合し、周波数、位相、または電圧を調整する風力発電設備の出力制御装置を提供する。
【００１１】
また、本発明においては、電圧位相を回転させる回転型の移相調整器を用いて、発電機電圧位相を回転させ、発電機側の電圧周波数を変えることにより機械系のフライホイール効果を利用して、発電機入力と電気出力との差を生じさせることにより、電力系の安定を図る風力発電設備の制御方法を提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この実施例は、変動発電設備と電力系統の結合に回転型の電圧移相調整器を用いて、位相を制御すれば電力変動を低減し、品質の高い電力の送電を可能にする構成を提供しようとするものである。
【００１３】
風力発電のように羽と発電機が大きなフライホイール効果を持つ場合、誘導型の連係制御装置を介して接続すれば、両者の電圧や周波数、位相によらず電力連係輸送が短時間の間、フライホイール効果を電力蓄積装置として利用することで制御可能となり、安定な電力供給が可能になる。
【００１４】
電力潮流量Ｐは、リアクタンスＸで結合された２つの電圧源の電力連係の式、Ｐ＝Ｖ１Ｖ２ｓｉｎ（δ）／Ｘで表される。ここで、Ｖ１、Ｖ２は一次、２次の電圧である。δは電圧間の位相差である。
【００１５】
図１に電圧ベクトルのフェーザー図を示すが、例えば電圧位相が変化しても、中間に合した移相機が、電力系統の位相にあわせて発電機側の電圧位相を変化させて、位相差を一定にすることで一定の電力Ｐを実現できる。
【００１６】
移相器の制御は輸送電力量が移相器のトルクに比例する事がわかっていることから移相器の回転トルクを一定にしておくトルク制御を行うことで良い。
【００１７】
機械的入力が変動する場合、まず、第一に回転するフライホイール効果がその平滑を行っている。
【００１８】
しかし、変動が大きい場合、例えば、機械入力が平均より大きくなった場合、発電機の回転が速くなって、系統との連係において、系統との位相差が大きくなって出力電力が増加してしまう。
【００１９】
この実施例によれば、誘導型電力連係装置を付加することによって、回転の速くなった分の位相を誘導移相器が補償するので、一定の電力を送電することができる。
【００２０】
結局、発電機機械系の持つフライホイール効果を積極的に利用して、そこに蓄積されているエネルギーを短時間に放出させて、出力電力は一定に出来ることになる。この際、発電機機械系の回転の変動は大きくなっているのでパワーバランスは満足している。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２２】
図１に示すように誘導型移相器で構成された連係制御装置が系統と風力発電設備との間に結合している。
【００２３】
誘導型移相器は系統側への電力を一定にする目的で、発電機の電圧位相と系統の電圧位相の差を一定になるように制御する。
【００２４】
入力の変動の大きさと風車のフライホイール効果の大きさにもよるが、定格出力に対するフライホイール効果は数秒から数分の時定数があるため、その時定数より短い時間の変動は十分に平滑化に効果があると考えられる。
【００２５】
例えば、図１の発電機の機械的入力が大きくなると、誘導移相器は電力系との位相差を大きくさせないように発電機側位相を発電機の位相の進むままに追従する。そのため、系統への電力の変動は抑えられる。
【００２６】
発電機と風車のローターは機械入力と電気出力の差が生じ、そのパワーはフライホイール効果に蓄積され、その結果、回転速度が変化する事になる。この場合、誘導型移相器は周波数変換器の役目を果たしたとも言える。
【００２７】
この実施例によれば、従来の半導体電力変換器による電力連系装置が持っている直流リンクを用いないため、効率が良くかつ高調波電流を出さない。
【００２８】
移相器を介して電力系統に接続し位相を制御することは、発電機の回転数を可変速化することになるので、発電機機械系のフライホイール効果をエネルギー蓄積装置として利用して出力電力の制御が可能になる。
【００２９】
特に入力過多の場合、そのピークパワーをフライホイールに蓄積して発電させないため電気的にはピーク出力に対する過負荷対策をする必要がなくなる。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、風力発電設備と電力系統の結合に回転型の移相調整器を用いたので、電力変動を低減し、品質の高い電力の送電が可能な風力発電設備の出力制御装置および出力制御方法が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の実施の形態として、風力発電装置に回転型誘導移相器を介して電力系に結合した構成と電圧位相を示すフェーザー図。
【図２】
同実施の形態において、風力と発電電力、羽の回転数の変化など、移相器の制御実施例を示す図。
【符号の説明】
１：風力発電用風車
２：風力発電機
３：回転型誘導移相器
４：電力系統
５：移相角度
６：発電機の位相角
７：回転型移相器の移相角
８：δ、系統側から見た負荷角